多肽微量元素螯合物的研究進(jìn)展

曾慶瑞，韓曜平，劉晶晶，施雪燕，張　穎，王夢(mèng)婭

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221000；2.常熟理工學(xué)院，江蘇 蘇州 215500)

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多肽微量元素螯合物的研究進(jìn)展

曾慶瑞1，韓曜平2，劉晶晶2，施雪燕2，張穎2，王夢(mèng)婭2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221000；2.常熟理工學(xué)院，江蘇 蘇州 215500)

摘要：微量元素對(duì)促進(jìn)機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育、調(diào)節(jié)身體機(jī)能，維持人體新陳代謝都是十分重要的。多肽微量元素螯合物相比無(wú)機(jī)鹽形式的微量元素更容易被人體吸收，其不僅能高效地提供生命活動(dòng)必需的多種微量元素，同時(shí)還具有抗氧化、抗菌等生物活性，在食品、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)多肽微量元素螯合物的螯合機(jī)理與結(jié)構(gòu)、制備工藝、生物活性進(jìn)行了綜述，指出了多肽微量元素螯合物研究中存在的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：微量元素；多肽；螯合物；吸收；生物活性

微量元素雖然在人體內(nèi)含量很少，但對(duì)人體的生長(zhǎng)發(fā)育等各項(xiàng)生命活動(dòng)具有不可替代的作用。例如，人體缺乏鐵元素可能導(dǎo)致貧血；缺乏鋅可能引起細(xì)胞免疫功能低下，增加疾病的易感性[1]。研究表明，銅、鐵、鋅等微量元素金屬離子可以在一定條件下與多肽反應(yīng)生成多肽金屬元素螯合物，這類有機(jī)微量元素螯合物可以通過(guò)多肽的吸收機(jī)制進(jìn)入生物體內(nèi)，相比無(wú)機(jī)鹽形式的微量元素不僅更容易被生物體吸收[2]，而且還可以給生物體提供一些重要的氨基酸，是一種理想的微量元素補(bǔ)充劑。另外，多肽微量元素螯合物還具有抗氧化、抗菌、降血糖等生物活性，具有極大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。作者就多肽微量元素螯合物的螯合機(jī)理和結(jié)構(gòu)、制備工藝、生物活性及應(yīng)用前景進(jìn)行綜述。

1多肽微量元素螯合物的螯合機(jī)理與結(jié)構(gòu)

目前，研究人員利用紫外光譜、紅外光譜以及X-射線衍射分析等技術(shù)，已經(jīng)對(duì)多肽與金屬元素的螯合機(jī)理進(jìn)行了初步的研究，這種螯合理論同樣適用于多肽與微量元素的螯合反應(yīng)。多肽的羧基、氨基以及側(cè)鏈中都含有很多具有孤對(duì)電子的氮、氧、硫原子，在一定條件下可以與金屬陽(yáng)離子以配位鍵結(jié)合形成絡(luò)合物。Jin等[3]對(duì)骨膠原多肽和其加鈣反應(yīng)產(chǎn)物的紫外和紅外光譜進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，多肽的氨基和羧基的紫外和紅外特征峰在加入鈣離子后都發(fā)生了位移，骨膠原多肽加鈣反應(yīng)產(chǎn)物的X-射線衍射圖譜出現(xiàn)了強(qiáng)的吸收峰，表明骨膠原多肽與鈣離子發(fā)生了配位反應(yīng)。由于一個(gè)多肽分子中有多個(gè)配位原子，這些配位原子與微量元素金屬離子之間以多個(gè)配位鍵結(jié)合，所以它們反應(yīng)生成的配合物多以環(huán)狀的螯合形式存在。盧業(yè)玉等[4]認(rèn)為鋅離子可以與蛋白質(zhì)中的羧基氧和氨基氮進(jìn)行配合，形成一個(gè)五元環(huán)的螯合物。Armas等[5]研究表明，Zn2+與Humanin肽的第八位側(cè)鏈氨基酸殘基通過(guò)配位鍵形成了八面體的Zn-Humanin螯合物。

對(duì)多肽微量元素螯合物的結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)在還處于初級(jí)階段，然而物質(zhì)的結(jié)構(gòu)可能會(huì)影響其生物活性，所以對(duì)多肽微量元素螯合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究具有重要意義。目前對(duì)于多肽微量元素螯合物結(jié)構(gòu)研究的難點(diǎn)在于，傳統(tǒng)工藝條件下制備的多肽微量元素螯合物都為復(fù)雜多樣的混合物，對(duì)這些混合物再進(jìn)行分離純化難度較大，這給物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究帶來(lái)了很大困難。對(duì)參與螯合的多肽先進(jìn)行分離純化再與特定金屬離子螯合制備相對(duì)單一的多肽微量元素螯合物，然后對(duì)其進(jìn)行構(gòu)效等方面的深入研究是未來(lái)此領(lǐng)域發(fā)展的新方向。

2多肽微量元素螯合物的制備工藝

多肽微量元素螯合物一般是通過(guò)天然動(dòng)植物蛋白的酶解多肽與鋅、銅、鐵等微量元素離子在一定配比、溫度、pH值等條件下發(fā)生配位反應(yīng)制得的。不同工藝條件下制得的多肽微量元素螯合物的螯合率和生物活性等方面差異較大，因此對(duì)多肽微量元素螯合物制備工藝的研究具有深遠(yuǎn)意義。

蛋白酶解工藝對(duì)多肽微量元素螯合物的制備和生物活性都有著重要的影響。用于多肽微量元素螯合物制備的多肽可以利用生物酶解法[6]、合成法[7]、抽提法[8]獲得，其中合成法和抽提法不僅操作成本較高，而且化學(xué)殘留大，因而很少被采用，而生物酶解法因具有操作條件要求低、方便快捷、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[9]。姜良萍等[10]用胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、風(fēng)味蛋白酶、堿性蛋白酶4種酶分別對(duì)脫脂后的鰱魚肉蛋白進(jìn)行酶解，酶解產(chǎn)物與Zn2+進(jìn)行螯合，得到4種多肽鋅螯合產(chǎn)物，其中風(fēng)味蛋白酶水解多肽與鋅離子螯合得到的多肽鋅螯合物的抗菌活性最強(qiáng)。近年來(lái)，有研究人員對(duì)傳統(tǒng)的“酶解法”進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新。孟昌偉等[11]采用堿性蛋白酶和風(fēng)味蛋白酶“兩步酶解法”制備出純度和水解度都較高的膠原多肽。汪嬋等[12]對(duì)多肽水解度影響多肽與金屬離子螯合的反應(yīng)進(jìn)行了更深入的研究，發(fā)現(xiàn)在一定水解度范圍內(nèi)，多肽與金屬離子的螯合率隨著多肽水解度的增大而升高。

微量元素鹽的種類、原料配比、多肽濃度、反應(yīng)溫度、pH值對(duì)多肽與微量元素金屬離子的反應(yīng)影響極大。高紅梅等[13]對(duì)小麥多肽與鋅離子的螯合研究表明，在pH值6、多肽與鋅的質(zhì)量比2∶1、多肽濃度0.03g·mL-1、反應(yīng)溫度70 ℃、反應(yīng)時(shí)間50min的條件下可以得到產(chǎn)率和螯合率最高的產(chǎn)品。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)螯合反應(yīng)影響最大的是pH值，然后依次是原料配比、多肽濃度、反應(yīng)溫度和鋅鹽的種類。

多肽與微量元素反應(yīng)后的產(chǎn)物可以通過(guò)不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇進(jìn)行分級(jí)沉淀，以初步分離多肽微量元素螯合物。另外，還可以通過(guò)超濾[14]、親和色譜[2]、反相色譜[15]等方法進(jìn)行進(jìn)一步分離純化。通過(guò)對(duì)多肽與微量元素反應(yīng)產(chǎn)物的分離，可得到不同種類、不同性質(zhì)的多肽微量元素螯合物。從中找到一種具有高產(chǎn)率和高生物活性的種類，對(duì)以后的深入研究具有重要意義。鄧尚貴等[16]對(duì)魚肉酶解蛋白與亞鐵離子螯合的產(chǎn)物進(jìn)行分離，得到4種多肽亞鐵螯合物，發(fā)現(xiàn)它們具有不同的鐵含量，抗氧化和抗菌活性也有顯著差異。

總之，影響多肽微量元素螯合物制備工藝的因素很多，一套完善的制備工藝可以獲得產(chǎn)率高、生物活性強(qiáng)的多肽微量元素螯合物，并可以顯著提高多肽微量元素螯合物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值，為其大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3多肽微量元素螯合物的生物活性

3.1　促進(jìn)微量元素吸收的活性

微量元素是維持人體正常生理功能必不可少的元素，只能通過(guò)食物補(bǔ)充。楊杰等[17]對(duì)幾組缺鋅大鼠灌輸同等劑量的小肽螯合鋅、葡萄糖酸鋅、硫酸鋅(作為對(duì)照)，在補(bǔ)鋅量相同的情況下補(bǔ)充小肽螯合鋅組的小鼠肝臟和血清的含鋅量遠(yuǎn)大于對(duì)照組。鄭炯等[18]對(duì)幾組缺鐵的大鼠灌輸同等劑量的血紅蛋白源多肽螯合鐵、葡萄糖酸亞鐵、氯化亞鐵，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)補(bǔ)鐵量相同的情況下，補(bǔ)充血紅蛋白源多肽螯合鐵組的小鼠不僅體重增長(zhǎng)最多，并且血液中血紅細(xì)胞和鐵含量也是最高的。以上研究表明，相對(duì)于無(wú)機(jī)鹽形式的微量元素，多肽微量元素螯合物形式的微量元素更容易被動(dòng)物體吸收。

動(dòng)物體對(duì)多肽微量元素螯合物的吸收率遠(yuǎn)大于無(wú)機(jī)鹽形式的微量元素，主要是因?yàn)槲諜C(jī)制不同。Du等[19]研究表明，在生物體內(nèi)，多肽螯合銅的吸收是通過(guò)生物體內(nèi)多肽的吸收機(jī)制，而并非金屬元素的吸收機(jī)制，這樣不僅可以避免多肽微量元素螯合物與其它的無(wú)機(jī)金屬離子在同一通道吸收時(shí)互相競(jìng)爭(zhēng)，而且還使多肽微量元素螯合物具有多肽吸收機(jī)制的吸收快、能耗低、效率高、載體不易飽和等優(yōu)點(diǎn)[20]，提高了微量元素的吸收率。另外，多肽微量元素螯合物整體呈電中性，微量元素被保護(hù)在多肽的中心，可以避免微量元素離子與體內(nèi)的植物酸等結(jié)合形成難吸收的物質(zhì)，從而提高微量元素的吸收效率[21]。大量研究發(fā)現(xiàn)，多肽微量元素螯合物相對(duì)于無(wú)機(jī)鹽形式的微量元素生物學(xué)利用率高，這使得多肽微量元素螯合物已經(jīng)成為一種高效補(bǔ)充微量元素的保健品和食品、飼料添加劑。

3.2　抗氧化活性

包怡紅等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在等量樣品的條件下，大豆多肽和其硒螯合物對(duì)非生理自由基(DPPH自由基)的清除率分別為58.96%和75.12%，說(shuō)明大豆多肽硒螯合物的抗氧化能力強(qiáng)于大豆多肽。林慧敏等[23]對(duì)舟山海域4種低值魚酶解蛋白亞鐵螯合物進(jìn)行抗氧化研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，未螯合前的多肽對(duì)DPPH自由基沒(méi)有明顯的清除能力，而它們的螯合物對(duì)DPPH自由基有較強(qiáng)的清除能力。Megas 等[24]研究發(fā)現(xiàn)，向日葵多肽銅螯合物富含組氨酸和精氨酸，具有較強(qiáng)的抗氧化活性，抗氧化活性與β-胡蘿卜素相當(dāng)。以上研究表明，多肽在螯合一些微量元素后擁有了其不曾有的抗氧化活性，或者增強(qiáng)了自身的抗氧化能力。

關(guān)于多肽微量元素螯合物的抗氧化機(jī)理尚未有詳細(xì)的研究報(bào)道，一般認(rèn)為多肽微量元素螯合物的抗氧化能力與其多肽結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。很多研究都表明一些小肽自身就具有抗氧化能力[25]，當(dāng)微量元素離子與其以配位鍵結(jié)合后，能形成一種穩(wěn)定性適中的螯合物，這種螯合物既能保留多肽的一些性質(zhì)(如抗氧化性)，又能改變這些性質(zhì)的強(qiáng)度，但詳細(xì)的機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

作為一種天然的新型抗氧化物質(zhì)，多肽微量元素螯合物比化學(xué)抗氧化物質(zhì)的安全系數(shù)高，在食品和化妝品領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力和優(yōu)勢(shì)。

3.3　抗菌活性

林慧敏等[23]研究發(fā)現(xiàn)，舟山海域的4種低值魚酶解后的多肽沒(méi)有抗菌活性，而其與亞鐵離子螯合后的多肽亞鐵螯合物對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌都具有不同程度的抗菌活性。Dashper等[26]將從牛奶中分離提取的抗菌多肽Kappacin與Zn2+螯合得到一種多肽鋅螯合物，發(fā)現(xiàn)該多肽鋅螯合物的抗菌活性比抗菌多肽Kappacin有顯著提高。以上研究表明，一些小分子多肽和微量元素離子螯合后生成的多肽微量元素螯合物具有小分子多肽不具備的抗菌活性，或者可以增強(qiáng)小分子多肽的抗菌活性。

目前多肽微量元素螯合物的抗菌機(jī)理還有待深入研究。霍健聰?shù)萚27]對(duì)帶魚多肽亞鐵螯合物的研究表明，帶魚多肽亞鐵螯合物能夠在細(xì)菌外膜表面形成一個(gè)跨膜的離子通道，通過(guò)破壞細(xì)菌的膜結(jié)構(gòu)使菌體細(xì)胞內(nèi)容物外泄，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。同時(shí)，帶魚多肽亞鐵螯合物還可以與微生物細(xì)胞競(jìng)爭(zhēng)正常生長(zhǎng)所需的鐵元素，從而具有抗菌活性。

作為一種天然產(chǎn)物與微量元素離子螯合而成的抗菌物質(zhì)，多肽微量元素螯合物不僅有廣譜的抗菌作用，還有較高的安全性，在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

3.4　其它生物活性

多肽微量元素螯合物除了有促進(jìn)微量元素吸收和抗菌、抗氧化活性外，還有很多其它生物活性。王秀麗等[28]、劉安軍等[29]研究發(fā)現(xiàn)，豬皮膠原蛋白多肽-鉻(Ⅲ)螯合物可以調(diào)節(jié)患糖尿病小鼠體內(nèi)的糖代謝，從而具有明顯降低血糖的功能。另外，豬皮膠原蛋白多肽-鉻(Ⅲ)螯合物還可以通過(guò)增加小鼠體內(nèi)T細(xì)胞的數(shù)量來(lái)增強(qiáng)小鼠T細(xì)胞的免疫功能，調(diào)節(jié)小鼠的免疫系統(tǒng)。Tamamura等[30]研究發(fā)現(xiàn)，抗艾滋病多肽T22與Zn2+螯合形成多肽鋅螯合物后的抗艾滋病活性顯著增強(qiáng)。趙海軍等[31]研究表明，大豆多肽鋅可以通過(guò)增強(qiáng)小鼠肝臟的抗氧化能力減緩小鼠的衰老。多肽微量元素螯合物的這些生物活性使其在醫(yī)藥領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

4展望

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)多肽微量元素螯合物的大量研究表明，多肽微量元素螯合物相比無(wú)機(jī)鹽形式的微量元素更容易被吸收，并且在補(bǔ)充微量元素的同時(shí)又能給生物體提供一些必需氨基酸，因此其在保健品及食品領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)和巨大潛力。另外，多肽微量元素螯合物的抗氧化、抗菌、降血糖、免疫調(diào)節(jié)、抗衰老等生物活性可應(yīng)用于食品防腐及新藥開發(fā)領(lǐng)域。

由于合成多肽微量元素螯合物的多肽大多以天然蛋白質(zhì)為原料經(jīng)酶解法獲得，制備過(guò)程化學(xué)殘留極少，安全系數(shù)高，因此具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。但目前對(duì)多肽微量元素螯合物的研究存在一些問(wèn)題，如多肽與微量元素?zé)o機(jī)鹽螯合后的產(chǎn)物較復(fù)雜，使得多肽微量元素螯合物的總體生物活性有所下降。如果對(duì)螯合后的產(chǎn)物進(jìn)行分離純化，由于蛋白酶解生成多肽的復(fù)雜性，以及多肽與金屬離子螯合方式的多樣性，造成制備出的螯合物更加復(fù)雜，傳統(tǒng)的分離技術(shù)很難純化出單一的多肽微量元素螯合物，同時(shí)還存在著分離成本高、產(chǎn)品損失等問(wèn)題。今后可以嘗試先對(duì)蛋白酶解后的多肽進(jìn)行分離純化，然后用相對(duì)單一的多肽與金屬元素進(jìn)行螯合，理論上可以得到較純的多肽微量元素螯合物。另外，通過(guò)多肽微量元素螯合物制備分離工藝的優(yōu)化，以及隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，可以對(duì)多肽微量元素螯合物的結(jié)構(gòu)與生物活性的關(guān)系進(jìn)行更深層次的研究。目前，探索出一條成本低、純度高、產(chǎn)量高的多肽微量元素螯合物制備工藝路線是多肽微量元素螯合物的研究重點(diǎn)。總之，多肽微量元素螯合物在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域具有一定的發(fā)展?jié)摿褪謴V闊的應(yīng)用前景。

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Research Progress on Polypeptide Trace Element Chelates

ZENG Qing-rui1,HAN Yao-ping2,LIU Jing-jing2,SHI Xue-yan2,ZHANG Ying2,WANG Meng-ya2

(1.ChinaUniversityonMining&Technology,Xuzhou221000,China；

2.ChangshuInstituteofTechnology,Suzhou215500,China)

Abstract：Trace elements play an important role in promoting growth and development of body,regulating bodily functions,and maintaining human body′s metabolism.Polypeptide trace element chelates are more easily absorbed in human body compared to inorganic forms of trace elements.Polypeptide trace element chelates not only can efficiently provide the trace elements necessary for body life activities,but also have antioxidant,antibacterial and other biological activities.Peptide trace element chelates show a broad prospect of application in the field of food,medicine and cosmetics.The chelating mechanism and structure,preparation,biological activities of polypeptide trace element chelaes are reviewed.The problems in studing polypeptide trace element chelates are pointed out.The directions for future research are prospected.

Keywords：trace element;polypeptide;chelates;absorb;bioactivity

中圖分類號(hào)：O 623.736

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5425(2016)01-0017-04

作者簡(jiǎn)介：曾慶瑞(1988-)，男，河南新野人，碩士研究生，研究方向：生物活性蛋白的分離純化，E-mail:tszengqingrui@163.com；通訊作者：韓曜平，教授，E-mail:975683768@qq.com。

基金項(xiàng)目：蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(SYN201303)

收稿日期：2015-09-29

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.01.004